This study performed finite element analysis on the pipe bend with various bend angles under loading conditions of internal pressure and combined pressure and bending, to investigate the effect of bend angle on the collapse behavior of pipe bend and on the stress state in the bend region. In the analysis, the pipe bends with bend angle of $5\~90^{\circ}$ were considered, and the bending moment was applied as in-plane closing and opening modes. From the results of analysis, it was found that the collapse moment of pipe bend increases with decreasing bend angle. As the bend angle decreases, also, the equivalent stress at intrados region increases regardless of bending mode. Under closing mode bending especially, the increase in stress at intrados is significant so that the maximum stress region moves from crown to intrados with decreasing bend angle.
배관 엘보우의 내호면(intrados)의 과 내부에 국부적으로 두께 감육이 발생한 경우, 내압과 엘보우를 닫는 방향으로의 굽힘하중을 부가하여 파손 모드를 연구하였다. 탄소성해석 시 반력-변위 곡선이 세 그룹으로 나뉘므로 각 그룹의 한 경우씩을 해석하여 소성붕괴에 의한 파손모드의 차이를 확인하였다. 이를 위해 주요 부위에서 하중-국부적응력 곡선이 어떻게 변화하는지 결정하여, 이로부터 관찰된 파손모드와 비교하여 설명하였다. 감육폭이 $90^{\circ}$인 경우 배관은 엘보우 측면부터 소성붕괴가 시작되었으며, $360^{\circ}$인 경우 내호면으로부터 소성변형이 시작되어 서로 다른 파손모드를 보여주었다. 배관의 감육측정에 의한 건전성 평가 시 이와 같은 파손 모드의 차이점을 고려하여 평가를 실시하여야 한다.
Ratcheting deformation of pressurized Z2CND18.12N stainless steel $90^{\circ}$ elbow pipe with local wall thinning subjected to constant internal pressure and reversed bending was studied using finite element analysis. Chen-Jiao-Kim (CJK) kinematic hardening model, which was used to simulate ratcheting behavior of pressurized $90^{\circ}$ elbow pipe with local wall thinning at extrados, flanks and intrados, was implemented into finite element software ANSYS. The local wall thinning was located at extrados, flanks and intrados of $90^{\circ}$ elbow pipe, whose geometry was rectangular cross-section. The effect of depth, axial length and circumferential angle of local wall thinning at extrados, flanks and intrados on the ratcheting behaviors of $90^{\circ}$ elbow pipe were studied in this paper. Three-dimensional elastic-plastic analysis with Chen-Jiao-Kim (CJK) kinematic hardening model was carried out to evaluate structural ratcheting behaviors. The results indicated that ratcheting strain was generated mainly along the hoop direction, while axial ratcheting strain was relatively small.
Elbows with various shapes of local wall thinning were numerically analyzed by finite element method to get load-displacement curves and the maximum loads. Results were compared with the experimental data obtained by another study. Elastic-plastic analysis were carried out under the combined loading conditions of internal pressure and in-plane bending loads. Two types of bending loads were considered such as elbow opening mode and elbow closing mode. Also, two different wall thinning geometries were modeled. Wall thinning area located extrados or intrados of elbow inner surface was considered. Longitudinal and circumferential lengths of the thinning area and the thinned thickness were varied for analysis. The results showed that the maximum load of the wall-thinned elbow decreased with increasing of the circumferential thinning length and the thinned thickness in both of extrados and intrados thinning locations in both loading types. The maximum load obtained by the analysis were in good agreement with the experimentally measured maximum load with the same wall thinning type and dimensions. This supports accuracy of the analysis results obtained in this study.
The purpose of this study is to investigate the effect of bend angle on the collapse behavior of locally wall thinned pipe bends. For this purpose, the present study performed three-dimensional finite element analysis on the 30-, 60-, and 90-degree pipe bends with local wall thinning at the center of intrados, extrados, and crown, and evaluated the collapse moment for different thinning dimensions under closing- and opening-mode bending with a constant internal pressure. The results showed that, for intrados and extrados wall thinning, the reduction in the collapse moment due to local wall thinning became significant with decreasing bend angle of pipe bends. This effect of bend angle was enhanced with increasing thinning dimensions, and it was clearer fur opening-mode bending than for closing-mode bending. For crown wall thinning, however, the effect of bend angle was unclear and was less sensitive to the change of wall thinning shapes.
Kim, Ki Tae;Kim, Young Sik;Chang, Hyun Young;Oh, Young Jin;Sung, Gi Ho
Corrosion Science and Technology
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제14권2호
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pp.47-53
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2015
Recently, the bending process is greatly applied to fabricate the pipe line. Bending process can reduce welding joints and then decrease the number of inspection. Thus, the maintenance cost will be reduced. Induction heat bending process is composed of bending deformation by repeated local heat and cooling. By this thermal process, corrosion properties and microstructure can be affected. This work focused on the effect of induction heating bending process on the properties of ASME SA106 Gr. C low carbon steel pipes. Microstructure analysis, hardness measurements, and immersion corrosion test were performed for base metal and bended area including extrados, intrados, crown up, and down parts. Microstructure was analyzed using an optical microscope and SEM. Hardness was measured using a Rockwell B scale. Induction heat bending process has influenced upon the size and distribution of ferrite and pearlite phases which were transformed into finer structure than those of base metal. Even though the fine microstructure, every bent area showed a little lower hardness than that of base metal. It is considered that softening by the bending process may be arisen. Except of I2, intrados area, the others showed a similar corrosion rate to that of base metal. But even relatively high rate of intrados area was very low and acceptable. Therefore, it is judged that induction heat bending process didn't affect boric acid corrosion behaviour of carbon steel.
본 연구에서는 감육결함이 가공된 실배관 곡관 시편을 대상으로 10 MPa의 내압과 반복 굽힘하중 조건에서 피로 시험을 수행하였다. 시험에는 감육결함이 곡관의 외호부와 내호부에 존재하는 경우를 고려하였으며, 반복 하중으로는 완전 역방향의 변위제어 형태로 작용되는 In-plane 상의 굽힘하중이 고려되었다. 실험 결과, 감육결함이 곡관의 외호부에 존재하는 경우에는 결함부가 아닌 곡관의 측면에서 축방향 균열이 생성되었다. 또한, ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측된 건전 곡관의 피로수명보다 긴 피로수명을 보였으며, 피로수명이 결함 길이에 크게 영향을 받지 않았다. 반면, 결함이 내호부에 존재하는 곡관은 내호부에서 원주방향 균열이 발생하였으며, 피로수명은 ASME Sec.III의 설계 피로곡선에서 예측한 건전 곡관의 피로수명보다 짧은 값을 보였다. 또한, 내호부 감육 곡관의 피로수명은 결함 길이가 감소함에 따라 뚜렷이 감소하였다.
This study aims to quantitatively evaluate failure pressure of wall-thinned elbow under combined load along with internal pressure, by conducting real-scale burst test and finite element analysis together. For quantitative evaluation, failure pressure data was extracted from the real-scale burst test first, and then finite element analysis was carried out to compare with the test result. For the test, the wall-thinning defect of the extrados or intrados inside the center of 90-degree elbow was considered and the loading modes to open or close the specimen maintaining a certain load or displacement were applied. Internal pressure was applied until failure occurred. As a result, when the bending load was applied under the load control condition, the intrados of the defect was more affected by failure pressure than the extrados, and the opening mode was more vulnerable to failure pressure than the closing mode. When the bending load was applied under the displacement control, it was hardly affected by failure pressure though it was slightly different from the defect position. The result of the finite element analysis showed a similar aspect with the test. Moreover, when major factors such as material properties and pipeline thickness were calibrated to accurate values, the analytical results was more similar to the test results.
This study performed burst tests using real-scale pipe elbow containing simulated local wall-thinning to evaluate the effects of circumferential thinning angle and bending load on the failure pressure of wall-thinned elbow. The tests were carried out under the loading conditions of internal pressure and combined internal pressure and bending loads. Three circumferential thinning angles, ${\theta}/{\Pi}=0.125,\;0.25,\;0.5$, and different thinning locations, intrados and extrados, were considered. The test results showed that the failure pressure of wall-thinned elbow decreased with increasing circumferential thinning angle for both thinning locations. This tendency is different from that observed in the wall-thinned straight pipe. Also, the failure pressure of intrados wall-thinned elbow was higher than that of extrados wall-thinned elbow with the same thinning depth and equivalent thinning length. In addition, the effect of bending moment on the failure pressure was not obvious.
The purpose of this study is to investigate the effect of circumferential location of local wall thinning defect on the collapse behavior of an elbow. Thus, the present study conducts three-dimensional finite element analysis on the 90-degree elbow containing a local wall thinning at intrados, crown and extrados of bend region and evaluates the collapse moment of wall thinned elbow under various thinning shapes and loading conditions. Combined internal pressure and bending moment are considered as an applied load. The internal pressure of $0\~20MPa$ and both closing and opening mode bending are employed. The results of analysis show that the reduction in collapse moment of the elbow by local wall thinning is more significant for a defect locating at crown than for a defect locating at intrados or at extrados. Also, the effect of internal pressure on the collapse moment of wall thinned elbow depends on the circumferential location of thinning defect and applied bending mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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